突破高电流密度瓶颈！多位点协同，让电解水制氢“提速不掉稳”！中科大团队破解高电流密度电解水难题

多位点协同策略提升高电流密度碱性水电解性能

在“双碳时代”，绿色氢能（Green Hydrogen）已成为清洁能源体系中最耀眼的“新星”。然而，如何以更低的能耗、更高的效率在工业尺度上稳定制取氢气，也即是在“高电流密度”下高效、稳定、低成本的制氢，一直是科研界和产业界在能源材料领域的关键难题和共同梦想。

近期，中国科学技术大学叶逸凡研究员、上海高等研究院章辉副研究员、上海科技大学韩永副研究员等科研团队联合发表最新研究成果🧪：

《High current density alkaline water electrolysis enhanced by multi-site cooperative strategy》《多位点协同策略提升高电流密度碱性水电解性能》发表期刊：Chemical Engineering Journal（Volume 525, 12月1日2025年）

电解水制氢：卡在“慢半拍”的氧析出反应

研究思路：让不同金属“协同作战”

为破解这一难题，世界各地的科研人员开始探索：有没有办法可以在低成本的同时提高活性和稳定性？

中科大研究团队的答案是：多位点协同策略（Multi-site Cooperative Strategy）！

他们以CoFe 层状双氢氧化物（LDH）为母体，引入极少量的Ru（钌），通过水热和煅烧工艺构建出巧妙的二维RuCoFeOx 纳米片结构。

图1. RuCoFeOₓ的合成与结构表征。(a) 合成路线示意图；(b) RuCoFeOₓ的高倍率扫描电子显微镜图像；(c) RuCoFeOₓ的高分辨透射电子显微镜图像；(d) RuCoFeOₓ的扫描电镜元素分布图。

“看得见”的协同效应：多维度同步辐射“透视”揭真相

为了揭示Ru与Co/Fe的真实相互作用机制，研究团队充分利用了合肥与上海的同步辐射装置，应用同步辐射多谱学联用技术，从原子尺度上揭示了这一协同效应背后的真相：

🧩 XPS与XAS证明 Ru 通过 Ru–O–M（M = Co, Fe）键以氧桥形式与基底进行耦合，从而诱导两者价态上升；

🧩 应用mRAS（二维共振Auger光谱）分辨出不同金属轨道杂化态Ru–O–Co/Fe的电子杂化轨道；

🧩 原位ATR-SEIRAS光谱发现 Ru 位点调节了*OOH中间体的吸附强度，加快了OER动力学反应速率；

🧩 DEMS同位素标记实验确认OER主要遵循吸附进化机制（AEM），而非晶格氧机制（LOM）。

图3. RuCoFeOₓ、CoFe LDH与RuO₂的电子结构X射线谱学表征。(a) RuFeCoOₓ纳米片中Ru的高分辨X射线光电子能谱；(b,c) CoFe LDH与RuFeCoOₓ纳米片中Co 2p、Fe 2p的XPS谱图；(d,e) CoFe LDH、RuCoFeOₓ纳米片及RuO₂在Fe L边、Co L边的软X射线吸收谱；(f) 基于mRAS技术的CoFe LDH与RuCoFeOₓ的O K边谱图；(g,h) RuCoFeOₓ与CoFe LDH的彩色编码共振Auger光谱。

图4. （a-c）RuCoFeOₓ与参照样品的Ru、Fe、Co K边XANES谱；（d-f）RuCoFeOₓ与参照样品的Ru、Fe、Co K边傅里叶变换EXAFS谱；（g-i）RuCoFeOₓ经k²加权处理的Ru、Fe、Co K边EXAFS信号的小波变换图。

图5. （a,c）RuCoFeOₓ与（b,d）CoFe LDH的原位ATR-SEIRAS谱图；（e）RuCoFeOₓ与（f）CoFe LDH原位ATR-SEIRAS谱的等高线图；（g）M d-O 2p电子结构示意图；（h）Ru负载后吸附行为示意图。

一句话总结：

“Ru 不是主角，但它在关键时刻调节了全局的电子节奏。”

实力数据：高活性+超稳定“双突破”

在 1.0 M KOH 碱性溶液中，RuCoFeOx 表现出令人惊艳的性能：仅需 278 mV 即可驱动100 mA/cm²的电流密度，并在1 A/cm²的高负载电流下连续稳定工作 700 小时以上，性能优于多数已报道催化剂！

机理：多位点协同如何“提速”？

团队的理论计算（DFT）揭示：Ru 的引入有效降低了反应的限速步骤 *O→*OOH 的能垒，从 2.207 eV 降低到 1.918 eV。

同时，Ru–O–Co/Fe 键使金属 d 轨道与氧 p 轨道更接近费米能级，加快电子转移，优化中间体吸附——这正是多位点协同效应的物理本质。

科学意义与展望：多位点协同的新范式

这项工作不仅提供了一种高效电解水催化剂，更重要的是提出了一个新的通用催化设计理念：

 “通过多位点电子协同，实现吸附能精准调控。”

这一思路有望推广到：

结语：从光源到氢能，科研点亮“绿色未来”

这项研究集成了材料化学、表征科学与能源工程的交叉优势。从同步辐射的光束，到电解槽里的氢泡，从原子级电子结构到千小时级电解槽稳定性，RuCoFeOx的成功，是科研创新如何一步步逼近工业现实的生动案例。同时这项工作也展现了中科大团队跨学科合作的力量：化学、物理、材料与能源科学的交汇，让“绿色氢能”从实验走向现实更进一步。正如作者团队所言：“我们希望用多位点的协同效应，为绿色氢能打开更高效、更可持续的新通道。”

（阴离子交换膜电解槽（AEM）的相关测试由安徽微宇仪器科技有限公司提供）

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.169782

DOI：10.1016/j.cej.2025.169782

韩永

主要从事大科学装置研发和建设、自由电子激光新方法学研究，并致力于将原位谱学技术应用到催化和电化学反应机理研究。已经完成三套科研仪器的研发，目前正在进行硬X射线自由电子激光装置超快近常压光电子能谱终端的研制。博士后工作期间，在上海光源自主设计建造了国内首个同步辐射近常压光电子能谱实验站，填补了国内相关技术空白，并取得国际最高空间分辨率（3 μm）。博士后出站加入上海科技大学，负责软X射线自由电子激光装置-活细胞成像等线站工程项目近常压光电子能谱实验站的建设。通过自主设计和研发，研制成功国内第一台中能X射线近常压光电子能谱仪，攻克水溶液体系光电子能谱测试这一难题，实现在外加热/光/电场的条件下原位探测气/液/固三相界面。基于研制仪器，开展了一系列催化和表界面反应机理原位研究，以第一和通讯作者在JACS、AFM和Advanced Science等期刊发表论文15余篇，负责国家重大科技基础设施实验站建设任务1项，基金委青年项目1项，科技部国家重点研发计划子课题1项。参与基金委重大项目课题1项、重点项目1项、面上项目1项。

2011和16年获得中国科学技术大学学士和博士学位，之后在劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究，21年获得“百人计划”支持，加入国家同步辐射实验室，任特任研究员，实验部副部长。一直致力于同步辐射原位谱学仪器设备、表征技术和实验方法学的研发及应用拓展。熟练掌握并应用软-韧-硬X线吸收/发射谱（XAS/XES）及近常压光电子能谱（APXPS）等谱学技术。在原子尺度上精准构高活性、高稳定性和高选择性的催化剂，利用多种同步辐射原位谱学手段和配套原位反应装置，实现催化剂表界面化学态、电子态的精确指认和解析，取得了一系列成果。迄今为止/发表SC1学术论文60余篇，总引用6400余次，H因子34。其中近5年发表一作/共同通讯论文15篇，包括Nat. Commun.，JACS，ACS Catalysis等，H因子34。担任合肥先进光源“高通量原位工况中能谱学线站”系统负责人，主持基金委面上项目，参与科技部重点研发项目2项、子课题负责人1项，参与中国科学院建制化平台和稳定支持青年团队项目，主持校级中科院项目等。

投稿请联系contact@scimaterials.cn